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摘要:CAN總線作為一種常用的新型現(xiàn)場總線,具有安全可靠、設(shè)計(jì)獨(dú)特等特點(diǎn),被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)相關(guān)監(jiān)控設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)領(lǐng)域中,并取得了良好的應(yīng)用效果,為了進(jìn)一步提高船舶發(fā)電機(jī)自動(dòng)化控制水平,現(xiàn)利用CAN總線,針對船舶發(fā)電機(jī)使用情況,提出一種具有可行性的發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊電路板設(shè)計(jì)方法。首先,在完成電壓電流測量電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,從頻率信號(hào)測量、相位差測量兩個(gè)方面入手,完成對率與相位差測量的電路設(shè)計(jì),在此基礎(chǔ)上,詳細(xì)探討了發(fā)電機(jī)組并車控制電路設(shè)計(jì)內(nèi)容,其次,研究了發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊系統(tǒng)組成及優(yōu)點(diǎn)。結(jié)果表明:本文所提出的發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊電路板設(shè)計(jì)方法具有非常高的可靠性和可行性,有效地提高了CAN總線電站的智能化控制水平。希望通過這次研究,為相關(guān)從業(yè)人員提供有效的借鑒和參考。
關(guān)鍵詞:CAN總線;電站;自動(dòng)化;網(wǎng)絡(luò)
最近幾年,隨著船舶規(guī)模的不斷增大,船舶電站功率呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢,這就對船舶電站的智能化控制水平提出了更高的要求,以實(shí)現(xiàn)對高船舶電站的遠(yuǎn)程化、自動(dòng)化監(jiān)控和管理。而CAN總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議受到了多個(gè)生成廠家的青睞和擁護(hù),因此,該總線具有較高的適用性和通用性,通過將CAN總線科學(xué)應(yīng)用于船舶電站的控制領(lǐng)域中,不僅可以提高網(wǎng)絡(luò)通信的安全性和穩(wěn)定性,還能促進(jìn)船舶自動(dòng)化系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠、安全地運(yùn)行。因此,在CAN總線的應(yīng)用背景下,如何科學(xué)地設(shè)計(jì)船舶發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊電路板是相關(guān)人員必須思考和解決的問題。
1電壓電流測量電路設(shè)計(jì)
在測量電壓電流期間,通常會(huì)涉及到以下兩個(gè)任務(wù):(1)測量電壓、電流的大?。唬?)測量電壓、電流的頻率與相位差。這兩種測量方式在初始測量階段中操作比較類似,均將所有的四芯插槽高效、安全地進(jìn)入到整個(gè)電路內(nèi)交流信號(hào)中,然后,借助變壓器,將其引入到惠斯電通橋內(nèi),此時(shí),不同惠斯電通橋所形成的電流電壓會(huì)存在較大的差異。此外,通過將四芯插槽與發(fā)電機(jī)電壓信號(hào)和母線電壓信號(hào)進(jìn)行有效連接,可以確保交流信號(hào)的穩(wěn)定性。同時(shí),通過借助三相交流電路,可以實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)電流的監(jiān)控,在此基礎(chǔ)上,將所有變壓器替換為電壓轉(zhuǎn)換器,實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)與電壓信號(hào)兩者之間的快速轉(zhuǎn)換,然后,將惠斯通電橋引入到電流電路中。交流電壓引入示意圖如圖1所示,從圖1中可以看出,借助變壓器引出以下兩路不同類型的電壓信號(hào),其中一路是含有電容器的惠斯通電橋;另一路是不含有電容器的惠斯通電橋。前者主要用于對直流電的過濾處理,以達(dá)到精確測量和把控電壓值變化趨勢的目的。后者主要是獲得最終直流電壓正弦波,以達(dá)到提高電壓頻率測量結(jié)果的精確性和真實(shí)性的目的。最后,在測量電壓有效值與電流有效值期間,為了保證所輸入數(shù)字信號(hào)的穩(wěn)定性,需要借助穩(wěn)壓措施,對濾波處理后的電壓信號(hào)進(jìn)行處理,使其安全、可靠地引入到穩(wěn)壓電路中,該穩(wěn)壓電路屬于串聯(lián)型電路,主要是有集成運(yùn)算放大器組成。然后,借助穩(wěn)壓電路,實(shí)現(xiàn)對電壓信號(hào)的有效連接,只有這樣,才能確保交流值測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性,為實(shí)現(xiàn)對電壓電流測量電路的科學(xué)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
2頻率與相位差測量的電路設(shè)計(jì)
通過對發(fā)電機(jī)和母線內(nèi)部電壓頻率進(jìn)行精確測量,可以全面了解發(fā)電機(jī)與母線之間的電壓相位差,為后期優(yōu)化和完善微處理器提供重要的依據(jù)和參考。
2.1頻率信號(hào)測量
該電路在具體的設(shè)計(jì)中,需要將過濾處理好的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的方波信號(hào),頻率測量電路示意圖如圖2所示。從圖2中可以看出,通過借助比較器,完成對電橋信號(hào)的傳輸,并借助節(jié)點(diǎn)模塊電路板穿將其轉(zhuǎn)化為時(shí)鐘脈沖[1],此時(shí),鐘控D觸發(fā)器的內(nèi)部輸出端與輸入端自動(dòng)建立連接。頻率測量波形示意圖如圖3所示。從圖3中可以看出,波形1、波形2和波形3分別代表電橋整流處理后的波形、流經(jīng)比較器的電壓波形以及流經(jīng)觸發(fā)器的電壓波形。根據(jù)惠斯通電橋所產(chǎn)生的信號(hào)特點(diǎn),可以將該信號(hào)與零比較器的輸入端進(jìn)行有效連接,充分發(fā)揮和利用零比較器的作用。該比較器的作用是[2]:當(dāng)負(fù)輸入端電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過所規(guī)定的比較電壓時(shí),零比較器會(huì)自動(dòng)輸出“0”數(shù)字信號(hào);當(dāng)負(fù)輸入端電壓低于所規(guī)定的比較電壓時(shí),零比較器會(huì)自動(dòng)輸出“1”數(shù)字信號(hào),這樣一來,有利于實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的自動(dòng)化轉(zhuǎn)化。同時(shí),還要借助D觸發(fā)器,等飯時(shí)鐘脈沖變化情況,執(zhí)行相應(yīng)的變時(shí)操作命令,使得單片機(jī)能夠在第一時(shí)間內(nèi)快速處理頻率信號(hào)[3]。最后,相關(guān)人員要嚴(yán)格按照測量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求,將母線與發(fā)電機(jī)的輸入端分別接入到微處理器中,便于獲得更加真實(shí)、可靠的頻率信號(hào)。
2.2相位差測量
相位差測量主要包含兩個(gè)環(huán)節(jié),一個(gè)是發(fā)電機(jī)電壓相位測量,另一個(gè)是母線電壓相位測量。為了保證相位差測量結(jié)果的精確性和真實(shí)性,相關(guān)人員要借助本文所設(shè)計(jì)的頻率測量電路,然后,精確地測量出發(fā)電機(jī)與母的電壓相位差。在這一過程中,首先,相關(guān)人員要根據(jù)高電平端的相位差變化情況,借助微處理器,將相關(guān)信號(hào)與外部中斷接口之間建立起有效的連接。此時(shí),微處理器可以自動(dòng)記錄和統(tǒng)計(jì)高電平端實(shí)際相位差,最后,根據(jù)所獲得的相位差,推算出脈沖周期,然后,對其進(jìn)行深入分析和處理后,即可獲得三角函數(shù)值,該函數(shù)值所對應(yīng)的角度與所測量的相位差具有一一對應(yīng)的關(guān)系。
3發(fā)電機(jī)組并車控制電路設(shè)計(jì)
并車操作主要是指通過對發(fā)電機(jī)組的頻率、電流、相位等參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測和調(diào)整,使得未運(yùn)行的并機(jī)組的電壓與正在運(yùn)行的并機(jī)組電壓始終保持相同狀態(tài)[4],只有這樣,才能為發(fā)電機(jī)組投入使用提供合適的參數(shù)條件,避免并車在合閘期間因遭遇沖擊電壓而嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行性能。在日常工況的實(shí)際開展中,經(jīng)常遇到并車相位不一致等問題,嚴(yán)重影響了發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)化控制水平,為了解決這一問題,相關(guān)人員要設(shè)計(jì)出一種功能強(qiáng)大;適用性強(qiáng)的并車裝置,同時(shí),還要借助該裝置為發(fā)電機(jī)組提供源源不斷的合閘脈沖。在這一過程中,首先,相關(guān)人員要嚴(yán)格按照正相差電路設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求,科學(xué)調(diào)整發(fā)電機(jī)電壓頻率,同時(shí),還要用“1”或者“0”表示電路數(shù)字信號(hào)輸出值[5],當(dāng)輸出的數(shù)字信號(hào)為“1”時(shí),說明發(fā)電機(jī)電壓頻率過高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過母線所規(guī)定的電壓頻率;當(dāng)輸出的數(shù)字信號(hào)為“0”時(shí),說明發(fā)電機(jī)的電壓頻率較低,低于母線所規(guī)定的電壓頻率。電機(jī)正相差電路示意圈如圖4所示。從圖4中可以看出,信號(hào)線1代表發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的實(shí)際電壓頻率信號(hào),主要連接于零比較器的負(fù)輸入端[6];信號(hào)線2代表母線所產(chǎn)生的實(shí)際電壓頻率信號(hào),同樣連接于零比較器的負(fù)輸入端,然后,采用連接輸出端的方式,將以上兩個(gè)零比較器進(jìn)行有效連接,然后,借助觸發(fā)器,對時(shí)鐘脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和管理[7]。此外,還要將信號(hào)線1和信號(hào)線2分別連接于JK觸發(fā)器的輸入端I和輸入端K。由此可見,當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓頻率過高時(shí),觸發(fā)器輸出數(shù)字信號(hào)“1”;當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓頻率過低時(shí),觸發(fā)器輸出數(shù)字信號(hào)“0”,這種控制條件完全符合電路相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求。
4發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊系統(tǒng)組成及優(yōu)點(diǎn)
4.1發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊系統(tǒng)的組成
發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊系統(tǒng)主要由五塊不同的單片機(jī)組成,其中,一塊單片機(jī)主要用于對CAN控制器與轉(zhuǎn)換器的有效集成處理;另外四塊單片機(jī)主要用于對51系統(tǒng)單片機(jī)的簡化。該系統(tǒng)在日常的運(yùn)行中,主要借助微控制器[8],與CAN局域網(wǎng)建立有效的互通關(guān)系,以完成對控制信號(hào)的安全傳輸和精確測量,為確保船舶發(fā)電機(jī)能夠正常、穩(wěn)定地工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
4.2發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢
發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊系統(tǒng)具有非常高應(yīng)用優(yōu)勢,其應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)通過利用該系統(tǒng),不僅可以實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)組調(diào)載、調(diào)頻以及合閘的自動(dòng)化控制,還能保證發(fā)電機(jī)組分級卸載功能、分級重載功能以及重要信息查詢功能等功能的實(shí)現(xiàn)效果,為提高船舶電站的自動(dòng)化控制水平打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。(2)該系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出CAN網(wǎng)絡(luò)狀,不僅可以幫助用戶更好地傳輸和共享各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信息,還能提高CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運(yùn)行性能,為促進(jìn)船舶電站管理向自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化方向不斷發(fā)展創(chuàng)造良好的條件。(3)該系統(tǒng)內(nèi)部含有發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊,該模塊在具體的運(yùn)用中,主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)采集功能和數(shù)據(jù)控制功能的有效集成,并將其統(tǒng)一集成到指定的電路板上,為保證系統(tǒng)集成的安全性和可靠性產(chǎn)生積極的影響。(4)對于發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊系統(tǒng)而言,其發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)控制功能除了可以實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)組并車的自動(dòng)化控制外,還能借助各個(gè)單片機(jī)進(jìn)行高效運(yùn)行,這樣一來,不僅保證了模塊結(jié)構(gòu)的簡易性、穩(wěn)固性,還能降低了模塊的開發(fā)成本和維護(hù)成本,為進(jìn)一步提高模塊的實(shí)用性和可靠性創(chuàng)造良好的條件。綜上所述,通過將CAN總線與船舶發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊電路板設(shè)計(jì)進(jìn)行充分結(jié)合,不僅可以充分發(fā)揮和利用CAN總線安全可靠、設(shè)計(jì)獨(dú)特等應(yīng)用優(yōu)勢,還能促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)通信向安全化、規(guī)范化方向不斷發(fā)展,同時(shí),還最大限度地提高船舶電站的自動(dòng)化控制水平,有效滿足船舶電站的大功率使用需求,為促進(jìn)船舶行業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展提供有力的保障。因此,將CAN總線應(yīng)用于船舶發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊電路板設(shè)計(jì)中具有重要意義,相關(guān)人員要對CAN總線的這一應(yīng)用基于足夠的重視。
作者:凃瑞媛 單位:昆明船舶設(shè)備研究實(shí)驗(yàn)中心